“氢”装上阵，助力航空碳中和（科技大观）

本文转自：人民日报

今年以来，全球氢能航空领域的探索活动愈加活跃。在英国，一架19座的氢电动力飞机实现试飞，时长约10分钟；美国一架40座的氢动力飞机完成试飞，时长约15分钟；前不久，中国首款四座氢燃料内燃机飞机验证机也成功首飞。法国《回声报》一篇题为《2023，氢动力飞机元年》的文章认为，全球低碳航空已处于起步阶段。

当前，全球航空业产生的二氧化碳排放量约占全球碳排放总量的2.5%。据相关预测，未来20年全球旅客年增长率约为3.7%，到本世纪中叶航空业体量将至少翻一番。为了实现2050年净零排放这一行业目标，航空业多条低碳技术路线正同时推进，氢动力飞机便是其中之一。

航空业碳排放主要来自化石能源燃烧，氢能被认为是化石能源的最佳替代。氢燃料不仅绿色低碳，还比现在最主要的航空燃料——航空煤油具有更高的单位重量能量密度。在提供相同能量的条件下，氢燃料重量仅相当于航空煤油的24%。对于“为减少每一克重量而奋斗”的飞机而言，这部分减重的重要性不言而喻。

不过，氢本身虽轻，但储存氢绝非易事。

首先是存储体积大。常温标准大气压下，氢分子以密度很小的气态形式存在，同等能量下体积约是航空煤油的2750倍。为节省空间，通常采用272倍大气压对氢气进行增压储存，还可以选择在大气压下降温至零下253.87摄氏度使氢分子转化为液态。从系统复杂度而言，压缩氢气方案实施起来相对简单，但需要付出更高的空间和重量代价。低温储存的液氢相对密度更大，对于未来的商用航班，液氢的方案更加现实可行。

其次是安全储存难。无论采取哪种储氢方式，对密封性的要求都比传统燃油系统更复杂。这是由于氢分子远小于航空煤油，更容易从管路缝隙中逃逸；对于液氢储存，还必须考虑恒温条件的实现问题，否则升温气化后体积膨胀的氢有可能导致燃料箱内压强骤增而直接爆炸。航天领域的液氢储存系统相对比较简单，氢氧发动机火箭都是在起飞前才加注低温液氢，且边加注边向大气中排放氢气，以避免液氢升温气化造成的燃料箱压力超过结构强度极限——火箭起飞前喷出的白雾便是由此产生。相对于数分钟的火箭发射而言，飞机飞行时间长达数小时，必须寻求更为可靠的储存方式。

现在，新型复合材料的发展为储氢环节提供了支持。相对于传统金属材料来说，相同强度的复合材料结构所需付出的重量代价更小。就液氢储存罐而言，新型复合材料可以极大地减少其重量并增加有效容积。例如，一些国家研制的碳纤维复合材料燃料罐，同等容积下比现有最先进的航天低温罐减少了75%的重量。

当前主流的动力技术路线通常有3种。其一是氢燃料电池，通过化学反应产生电能，驱动电动机产生推力。其二是氢燃料内燃机，类似于传统汽油内燃机，但燃料改为了液氢。由于相同工作容积下发生氧化还原反应的氢气流量较小，使得这两种方案功率密度较小而更适用于小型飞机。对于更大重量的民航客机，未来的选择应与现有涡扇发动机的推进方式相仿——通过点燃更大流量的氢气以驱动涡轮、产生动力，从而使发动机获得更大的功率密度。

随着制氢产业日趋成熟，氢能源飞机也有望实现快步发展。可以预见，类似乘用车从燃油向电动的技术更新，民用航空器的低碳转型也将推动行业升级换代，促进民航业基础设施改进创新，并对拉动上下游产业发展等产生重大影响。

（作者单位：北京航空航天大学航空科学与工程学院）